Хвала Натану Лифсону
В 1950-х годах, примерно в то же время, когда ученые разрабатывали факторный анализ, Натан Лифсон, физиолог из Миннесотского университета, исследовал совершенно другой подход к расчету ежедневных энергетических затрат. Он был уроженцем Миннесоты и родился в «штате сусликов»
[28] в 1911 году. Почти всю взрослую жизнь он провел в Миннесотском университете: в 1931 году получил степень бакалавра, в 1943 году — докторс кую и, кроме двухлетнего пребывания в Сан-Диего (где, по-видимому, научился ненавидеть солнечный свет и тепло), все остальные 15 лет научной карьеры провел в alma mater. Период обучения в аспирантуре совпал с крупными достижениями в области науки о метаболизме, сделанными Клайбером и его современниками, и поэтому, возможно, достаточно логично, что и Лифсон в итоге заинтересовался проблемой измерения ежедневных энергетических затрат.
Чтобы понять прорыв ученого, нужно начать с того, что наше тело, по существу, представляет собой большой бассейн с водой (около 65 % — это Н2О). На самом деле, жидкость в организме человека подобна водоему с приливами и отливами. Атомы водорода и кислорода в нашем водном бассейне находятся в постоянном движении, они попадают в организм с едой и напитками и покидают его в виде мочи, кала, пота и выделений при дыхании.
На ранних этапах работы Лифсон выяснил, что у атомов кислорода в водном бассейне нашего тела есть альтернативный способ покинуть его. Когда во время процесса метаболизма какой-либо молекулы на основе углерода (см. Главу 2) образуется углекислый газ (СО2), один из атомов кислорода в новой молекуле берется из воды, находящейся в организме. Затем этот атом выдыхается в виде СО2. В целом, суть следующая: водород покидает организм в виде воды, а кислород может выходить него как вода или как углекислый газ.
Лифсон пришел к выводу, что, если бы он мог отслеживать скорость выхода атомов водорода и кислорода из тела, то вычислил бы скорость производства CO2. А поскольку человек не может тратить энергию, не производя и не выдыхая углекислый газ (Глава 2), ученый понял, что, если бы он мог измерить скорость производства СО2, то вычислил бы расход энергии. А самое главное, испытуемым не придется сидеть взаперти в метаболической камере. До тех пор, пока он мог отслеживать скорость потока водорода и кислорода с помощью случайного образца мочи, участники исследований могли делать все, что угодно.
Труднее всего было отследить атомы водорода и кислорода в форме воды. Лифсону пришла в голову идея использовать изотопы, которые являются атомами с нормальным числом протонов, но необычным количеством нейтронов. Например, у обычного кислорода восемь протонов и восемь нейтронов, тогда как у изотопа кислорода-18 — восемь протонов и десять нейтронов. Дейтерий — это изотоп водорода с одним нейтроном (у обычного водорода вовсе нет этих частиц). В воде, которую вы пьете каждый день, есть небольшое количество изотопов, и они не вредны. (Только некоторые изотопы радиоактивны: они испускают вредное излучение, когда распадаются на другие атомы.)
Работая с мышами, Лифсон использовал эти изотопы, чтобы отследить поток атомов кислорода и водорода, когда они покидали тело. Изотопы действовали точно так же, как обычные атомы кислорода и водорода в организме, но он мог использовать их в качестве индикаторов. Если бы дейтерии составлял 10 % водорода в «бассейне» тела испытуемого в понедельник и только 5 % в среду, это означало бы, что половина меченой воды покинула организм и уже была восполнена обычной. Затем он мог использовать эти измерения для расчета скорости потери атомов водорода. Разница между этими двумя показателями должна была отражать уровень производства углекислого газа. Исследования, проведенные Лифсоном на мышах, показали, что изотопные измерения полностью соответствуют производству CO2, измеренному метаболической камерой.
В 1982 году Лифсон опубликовал первое исследование с участием людей, проведенное методом дважды меченой воды.
Поскольку человек не может сжигать калории, не производя углекислый газ, этот метод позволил точно и четко измерять ежедневные затраты энергии. И самое главное, испытуемым больше не нужно было сидеть в камере: до тех пор, пока они каждые несколько дней сдавали образцы мочи или крови для измерения уровня изотопов, люди могли заниматься обычными делами, делая все, что хотят. Лифсон изобрел невозможное: надежное средство измерения ежедневного расхода в повседневной жизни.
Однако оставалось решить проблему цены. Количество изотопов, необходимых для измерения, пропорционально размеру тела. Это сделало эксперименты на мышах или других мелких животных относительно дешевыми, однако создало проблему при исследовании человека. В 1955 году количество изотопов, необходимых для взрослого весом 68 кг, стоило более 250 000 долларов в пересчете на сегодняшний курс. К 1970-м годам некоторые прогрессивные исследователи в области физиологии животных, такие как Кен Наги и Клаас Вестертерп, использовали метод Лифсона при изучении птиц и ящериц в дикой природе. Наги даже сотрудничал с приматологом Кэтрин Милтон, чтобы измерить ежедневные затраты энергии у диких обезьян-ревунов. Но за исключением нескольких исследований на мелких видах, метод Лифсона так и не прижился.
Потребовалось еще одно десятилетие, чтобы прогресс в производстве и измерении изотопов смог сделать цену на них более приемлемой. К 1980-м годам дейтерий и кислород-18 были достаточно дешевыми: стоимость составляла примерно 1 % от цены 1950-х или 60-х годов. 1980-е считаются периодом пандемии ожирения, и в это время исследователи стремились разработать метод измерения расхода энергии за стенами лаборатории. Дейл Шеллер, работавший в Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго, наткнулся на работу Лифсона, когда изучал литературу об использовании изотопа кислорода-18 для измерения водного «бассейна» тела. Поняв, что технология и затраты изменились со времени открытия и что теперь можно сделать метод Лифсона экономически эффективным, Шеллер начал адаптировать его для применения на людях. В 1982 году он опубликовал первое исследование, проведенное методом дважды меченой воды, проведенное с участием людей. Именно так возникла новая область в изучении человеческого метаболизма.
Вскоре стало понятно, что многое из того, что считалось известным об энергетических затратах, было неверным. Метод Лифсона привел науку о человеческом метаболизме в новую эру. К тому времени, почти через тридцать лет после первой публикации об этом открытии, Лифсон был почетным (уже почти на пенсии) профессором и было уже слишком поздно делать его частью новой эпохи открытий. Но он прожил достаточно долго, чтобы увидеть, как его вклад в науку начал революцию в метаболических исследованиях и получил заслуженное признание. Шеллер даже звонил Лифсону на ранних стадиях первого исследования на людях, и тот всегда был очень дружелюбно настроен и рад слышать, что его идея работает. В 1986 году Эндрю Прентис в Кембридже провел конференцию Британского общества нутрициологов (British Nutrition Society), чтобы обсудить метод дважды меченой воды, и Лифсон был почетным гостем на этом симпозиуме. В следующем году за свое открытие он был удостоен престижной премии имени Артура Ранка за вклад в науку о питании. Через два года после этого Лифсон умер.
